3D直書寫打印在儲能器件中的應用

來源： 化學工業(yè)與工程

3D直書寫打印是一種較為理想的電極制造技術,可方便地制造結構復雜、孔隙均勻的儲能器件,其在電解質傳輸、離子滲透等方面具有傳統(tǒng)塊狀材料難以比擬的優(yōu)勢。首先介紹了電化學儲能器件的框架結構,然后根據(jù)墨水直寫技術對于儲能器件性能提升的影響重點綜述了基于氧化石墨烯、碳納米管等碳材料、MXene層狀材料以及聚合物凝膠墨水種類對于鋰電池、鎳鐵電池、鋅-空氣電池等電極的制造與改性,并對近期不同材料改性的3D打印的儲能器件性能進行了總結,最后對于該技術在應用中的發(fā)展前景及挑戰(zhàn)提出了展望。

圖 1 (a)墨水直書寫打印;(b)交指結構電極;(c)木堆狀結構電極;(d)纖維狀電極

圖 2 (a)多孔鋰硫電池循環(huán)性能;(b)高硫負載3D打印面積比電容、庫倫效率;(c)3D打印Li-SeS2正極循環(huán)性能及庫倫效率

圖 3 (a)鋅-空氣電池循環(huán)性能;(b)鎳鐵電池循環(huán)性能圖

圖 4 (a)高濃度氧化石墨烯打印電容器面積比電容;(b)堿性氧化石墨烯調(diào)節(jié)漿料性質;(c)3D打印氣凝膠對稱電容器模型及循環(huán)曲線;(d)功能化改性電容器循環(huán)曲線;(e)碳納米管改性電容器及電極形變測試

圖 5 (a)3D全打印交指狀超級電容器;(b)釩基硫化超級電容器性能;(c)3D打印Zn離子超級電容器

圖 6 全固態(tài)對稱電容器打印流程

表 1 墨水直書寫技術黏結劑種類及其性能總結

結論
主要闡述基于不同物質進行改性的漿料通過墨水直書寫技術打印制得電極在電化學儲能器件上的應用。墨水直書寫技術的最大優(yōu)點是可以通過計算機設計有序復雜的三維立體結構,從而獲得更好的離子傳輸效率和更大的比表面積。然而該技術在儲能器件的應用仍然面臨一些挑戰(zhàn):(1)打印后的電極框架仍需要較為復雜的后處理,一步制備成形仍是工藝探索的方向。(2)為滿足漿料非牛頓性質,黏合劑導電性普遍較差,高導電性黏合劑材料仍需進一步探索。(3)當前電極打印結構普遍拘泥于木堆狀結構,3D打印電極空間設計亟待創(chuàng)新。總體來說,墨水直書寫技術在儲能器件領域應用擁有廣闊前景。